因應高速傳輸需求的抗靜電、抗雜訊解決方案
- DIGITIMES企劃
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電磁干擾問題，是許多電子商品開發階段，甚至是驗證、出貨時還會持續遭遇的問題，因為新的電子產品持續要求功能整合，使電子商品的可用PCB空間大幅減小，加上RF高頻多種應用整合，也會讓EMI問題顯著放大，如何透過設計與改善元件，提升抗靜電、抗雜訊能力，是產品開發階段就必須重視的課題...
電磁干擾(Electromagnetic Disturbance；EMI)問題，在多數產品都相當常見，尤其是影音類型的產品，甚至提供隨身使用的行動商品，由於整合的自給電源設計，更容易將外部應用環境的干擾源影響放大，因為使用者在操作產品時，會用耳朵或眼睛接收大量多媒體內容，這時高頻串音或是電源電路不穩造成畫面四個角落的視覺劣化，都會讓產品的觀感大打折扣！
雖然這部分的設計多會與電源電路產生關連，但多數電源電路會遭遇的EMI問題未解，也會影響到實際的數位電路，因此，EMI和抗靜電的相關處理設計，必須全面化思考。
目前商品的設計方式，可以將整體的實踐電路和相關電源、媒體儲存體等，全都整合到一個外殼機構中，若要讓電子電路能有較佳的屏蔽外部雜訊的能力，多數會在塑膠外殼的內裡噴塗金屬漆，並將PCB的接地與機殼連接，讓外殼的屏蔽效果加分。
但實際上這類外殼構型方面的改善有限，必須檢視金屬漆的導電性、噴塗均勻度等多項條件，加上電子裝置若需要預留散熱孔隙，那麼散熱孔部分的隔離效用也會因為機殼開孔而受影響。
常見的作法會將機殼方面的設計處理，去搭配重點元件的電磁波、EMI防護設計，例如，在易受干擾的RF元件(如Wi-Fi、Bluetooth)，或是重要的關鍵處理器上方，增設金屬隔板覆蓋，並將金屬板與PCB進行焊接處理，讓易受干擾的電路維持在相對低雜訊的運行環境，這對於終端產品的運行穩定性有相當顯著的效用。
甚至在商品最後進行電磁檢測驗證時，實驗室可以將這類極易產生電磁干擾的模組限制在一個模版設計中，進行因應驗證需求的磁檢改善，就可以專心將改善資源投注在其他邏輯電路方面。
但除了裝置必須解決自體或外部的多雜訊運行環境外，其實更關鍵的問題在於終端產品的介面設計，因為，當電子裝置有連接外部周邊、視訊/音訊輸出的需求，此時裝置必須增設視訊埠、音訊埠甚至數位資料的傳輸資料埠，例如，視訊方面就有HDMI、Display Port、DVI、VGA...等，而音訊則有光纖、音源接頭，資料傳輸方面會有USB 2.0/3.0、SATA、e-SATA、網路孔等設置。
這些外部的連接介面，都會成為外部雜訊直驅裝置內部電路的關鍵管道，因為這些介面不會有機殼的保護，為了使用便利也多採行開放式的接頭設計，這會遇到兩個問題，一個是裝置未用介面的狀態下，介面、接頭的設計等於是個等效天線四處吸收環境雜訊，如何處理這種問題？
另一個問題就是，即便裝置穩妥連接其他介面周邊，但當連接、接續的裝置未能善加設計電源電路或接續裝置產生故障誤動作，經由連接埠的直接傳導，等於讓暫態突波、高電流雜訊直接導入我們的裝置中，間接造成裝置誤動作或是故障損壞。
針對連接介面於未用時期的設計方面，思考邏輯是儘量減少經由介面傳入雜訊的機會，或壓低其影響，處理方針可以使用目前相當普遍的整合型保護元件，尤其是新一代的HDMI或是Display Port這類視訊介面，目前的規格已朝高速化發展，以因應HD方面的影音播放需求。
但若開發者選擇自行開發視訊介面的保護電路，可能會因為相關設計讓介面的電容出現設計上的困擾，進而無法因應更嚴苛的視訊介面的高規格視訊品質要求！這時若選擇針對介面驗證便利性開發的模組化保護元件，除可簡化PCB布線與零件擺位問題，更可快速將商品視訊方面的抗雜訊、抗EMI問題完整解決，可專心將開發心力放在產品的功能實踐方面。
另一種常見問題在於，帶電的介面，如何去做到抗瞬態突波大電流，尤其是目前帶電力傳輸的介面越來越多，例如，USB 2.0即具備5V/500mA電力水準，而USB 3.0更進一步把電力規格提升，另外，如IEEE1394 a/b，介面的部分也具備電力供應，這種介面設計本身除了電子信號的高速傳輸需求外，還必須考量到介面的供電電路穩定性與因應誤操作、熱插拔的使用，造成介面產生瞬態大電力衝擊問題。
除了裝置本身的電力、介面、防護設計外，裝置的內部電路如何進行低雜訊干擾的開發方式，也是一大關鍵，因為，解析裝置的電子電路大致可以區分為電力方面電路、數位信號方面電路、處理運行與儲存方面的電子電路。
開發前期，還可將各功能電路做進一步的功能拆解，在完成開發實驗室版的功能驗證後，就可以進行電路於PCB的走線設計，這時可以將容易受干擾的電路，嘗試擺放在較不會受干擾的區塊，或是乾脆尋找機殼內最佳的抗干擾區塊，進行相關零組件的布局，此後，將電路模組化思考重新布線，針對較不會受干擾的數位迴路位置再進行思考與布局即可。
多數EMI問題，是由輻射電磁場，或是感應電壓、電流而產生，尤其是目前行動裝置動輒GHz等級運作時脈，也會因為電路板傳輸高時脈訊號而產生無法預期的干擾問題，甚至影響了裝置本身的穩定性與運行效率。
控制和降低EMI，有兩個基本思考方向，可由「抑制」或是「吸收」的概念，來有效解決此一設計難題。在產品開發時，最常使用的降低電子電路噪訊方法，包括以合理的電路設計處理，或是利用前述的機殼屏蔽、PCB有效接地，或是針對各功能電路預先處理電路的信號過濾、隔離、分隔設計，更進階的設計還須考量定向、電路阻抗級的設計控制、電線/纜線的設計和電子噪音消除等作法。
